JPH10511803A - マイクロプリズムのアレイを用いる照明系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 拡散光源により発生せしめらた光を受光し、その光を全内部反射で透過する導波路を含んでなる光学照明系。この導波路の一つの面に低屈折率層とマイクロプリズムのアレイが取り付けられ、各マイクロプリズムは、光入力面と、光がその導波路から逃げるようにその導波路の面に垂直な方向から或る角度で傾斜している少くとも一つの側壁を有し、光はその傾斜した側壁で反射され、そして限定空間指向光源としてそのマイクロプリズムから出てくる。低屈折率層は低角度光がマイクロプリズムに入るのを防ぐ。マイクロプリズムの出力光を受け取るように、マイクロレンズのアレイを配置し、そのマイクロレンズから出てくる光が実質的に平行な光源となるようにすることができる。この光学照明系は、エネルギー効率が良く、断面の小さい集合装置に組み込まれる、非拡散性の、即ち実質的に平行であることが要求される任意の用途に有利である。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロプリズムのアレイを用いる照明系 関連出願との相互関係 本出願は１９９４年５月１３日に出願された、“マイクロプリズムのアレイを 使用する照明系”と題される米国特許第０８／２４２，５２５号の一部継続出願 であり、またこの後者の出願は１９９３年１１月５日に出願された、“マイクロ プリズムのアレイを使用するバック照明装置”と題される米国特許第０８／１４ ９，２１９号の一部継続出願である。発明の背景 本発明は、一般的には、比較的大きい透光率を有する平行光線用の光学照明系 に関する。さらに詳しくは、本発明は非平行光源から出た光の方向を変えるため の多数の光学マイクロプリズムおよびマイクロレンズを有し、そして非拡散性の 、即ち実質的に平行な光源出力を別々にまたは組み合せのいずれかで提供する照 明系に関する。 多くの光学用および照明用用途では、発光効率の良い非拡散性の、即ち平行な 光源を製造する必要がある。平行光源で遭遇する典型的な問題点は、１）不均一 な光分布、２）制御された方向での光の出力不足、３）非平行光の入力量に対す る平行光の出力量に関する非効率性、および４）コンパクトな設計の、若しくは 断面の狭い(narrow profile)効率的な平行光源の不足である。 従って、光学および照明の技術分野においては、狭い断面を保持しつつエネル ギー効率の高い光源を提供する照明集合組立装置を提供する必要性が存在する。本発明の要約 本発明は、エネルギー効率の高い非拡散性の、即ち実質的に平行な光源［以後 、限定空間指向光源(spatially directed light source)と呼ぶ］を個別にまた は組み合せのいずれかで提供する光学照明系に関する。さらに、本発明は断面の 狭い限定空間指向光源を必要とする任意の照明用途に向けられる。 この光学照明系は、光透過装置に極く近接した拡散入力光源とその光透過装置 からの光を離して方向を変えるための反射装置を含んでなり、その反射装置はそ の光透過装置に接して作動するように置かれている。反射装置はマイクロプリズ ムのアレイ（array）、若しくはマイクロレンズのアレイと光学的に協同して作 動するマイクロプリズムのアレイを組み合せて含んでなり、そのマイクロプリズ ムはその光透過装置とそのマイクロレンズの間で作動するように置かれている。 本発明の反射装置は、断面の狭い集合組立装置に装備されるエネルギー効率の良 い分布の限定空間指向光線を提供する。 一つの好ましい態様では、単一の入力光源が光透過装置の受光面に隣接して置 かれている。光透過装置は、光導体(light pipe)、光学くさび（light wedge） 、光導波路、またはこの技術分野の習熟者に知られている任意の他の構造物のよ うな反射しながら光を透過させる任意の構造物である。好ましくは、光透過装置 は入力光源によって発生せしめられた光を受光し、その光を全内部反射（ＴＩＲ ）により輸送する導波路を含んでなる。その導波路の一つの面にマイクロプリズ ムのアレイが取付けられる。マイクロプリズムはその導波路と接した光入力面と 光出力面とを含む。マイクロプリズムはさらに四つの側壁を含んでなる。この四 つの側壁は、その導波路を通って進んだ光が捕捉され、そしてマイクロプリズム で方向が変えられ、ＴＩＲによりそのマイクロプリズムによって反射され、そし て限定空間指向光源としてそのマイクロプリズムから出てくるような角度で傾斜 している。限定空間指向光源とは、光出力面に対して実質的に垂直な方向に実質 的に平行な光源、若しくは光出力面の法線に対して或る角度で指向している光源 を含むことを意味する。この態様の一つの改良点は、導波路と各マイクロプリズ ムの光入力面の間に低屈折率の層が配置され、含まれていることである。 もう一つ別の態様では、マイクロレンズのアレイがマイクロプリズムの光出力 面に隣接して作動するように置かれている。各マイクロプリズムの四つの側壁は 、導波路を通って進んだ単一光源からの光がマイクロプリズで捕捉され、ＴＩＲ によりそのマイクロプリズムで反射され、そして限定空間指向光源としてそのマ イクロプリズムから出てくるような角度で傾斜している。これらのマイクロレン ズは適切な曲率で作られており、そして各マイクロプリズムから出てくる光が対 応するマイクロレンズに向かうように置かれている。この光はそれらのマイクロ レンズを通って進み、実質的に平行な光源として出てくる。 もう一つの好ましい態様では、二つの入力光源若しくは一つの光源および反射 装置が、光透過装置の向い合って位置する受光面に隣接して置かれている。マイ クロプリズムは導波路と光出力面に接する光入力面を含んでなる。マイクロプリ ズムは、さらに、相対する方向から導波路の中を進んで来た光が捕捉され、そし てそのマイクロプリズムで方向が変えられ、ＴＩＲによりそのマイクロプリズム によって反射され、そして限定空間指向光源としてそのマイクロプリズムから出 てくるような角度で傾斜している四っの側壁を含んでいる。この態様の１つの改 良点は、導波路と各マイクロプリズムの光入力面の間に低屈折率の層が配置され 、含まれていることである。 さらにもう一つ別の態様では、マイクロレンズのアレイがマイクロプリズムの 光出力面に隣接して作動するように置かれている。各マイクロプリズムの四つの 側壁は、導波路を通って進んだ両光源からの光がマイクロプリズで捕捉され、Ｔ ＩＲによりそのマイクロプリズムで反射され、そして限定空間指向光源としてそ のマイクロプリズムから出てくるような角度で傾斜している。これらのマイクロ レンズは適切な曲率で作られており、そして各マイクロプリズムから出てくる光 が対応する一つのマイクロレンズ若しくは複数のマイクロレンズに向かうように 置かれている。光はこれらのマイクロレンズを通って進み、実質的に平行な光源 として出てくる。 このように配列されたマイクロプリズムとマイクロレンズを用いているこのよ うな照明系を利用できる照明用途は、多数存在する。このような用途は自動車工 業、航空宇宙工業および広告用および住居用市場に存在する。幾つかの自動車用 用途で、単に例として、限定することを意図しないで挙げれば、考えられる用途 は、自動車用の断面の小さいヘッドライトおよびテールライト；読書用ライトお よびマップ・ライトのような断面の小さい車内ライト；ダッシュボード・ディス プレイ用光源；フラットパネル・ナビゲーション表示盤、フラットパネル・自動 車ＴＶスクリーンおよびフラットパネル電子機器ディスプレイ用のバックライト ；交通信号灯；および道路標識用バックライトである。航空宇宙工業における代 表的な例は、フラットパネル・コックピット・ディスプレイ用バックライトおよ び航空機の乗客区画のフラットパネル・ＴＶスクリーン；断面の小さい読取りラ イトと航空機の着陸灯；および滑走路灯である。住居用および広告用用途には、 断面の小さい室内および室外用スポットライトおよび平行化の程度の小さい室内 照明；フラットパネル・ＴＶスクリーン用バックライト、コンピュータなどのＬ ＣＤディスプレイ、ゲーム機ディスプレイ、電機器具ディスプレイ、機械ディス プレイおよび映像電話用の各バックライトがある。 本発明のさらなる目的、利点および新規な特徴は、一部は以下の説明により示 され、また一部は、以下の説明を検討することによりこの技術分野の習熟者に明 らかになるであろうし、或いは本発明を実施することにより習得することができ るであろう。本発明の目的と利点は、付記した請求の範囲中に特に示した手段お よびそれらの組み合せにより実現され、達成されるであろう。図面の簡単な説明 本発明の上記のおよびその他の目的と利点は、添付した図面と組み合せて、以 下の詳細な説明を参考にすれば明らかになるであろう。これらの添付図面におい て、同様の参照番号は全体にわたって同様の部品を指示している。添付図面にお いて、 図１は単一入力光源と組み合せた本発明の一つの態様の立面図であり； 図１Ａは図１の態様の分解図であり； 図１Ｂは図１の態様のもう一つ別の分解図であり； 図１Ｃは単一入力光源と組み合せた本発明の推奨される態様の立面図であり； 図１Ｄは低い角度の光を規定する説明図であり； 図２はマイクロレンズのアレイを含む図１の態様の立面図であり； 図２Ａはマイクロレンズに対応する図２の態様のもう一つ別の立面図であり； 図３は単一のマイクロレンズの断面図であり； 図３Ａは単一つのマイクロレンズの一つの態様の平面図であり； 図４は二つの入力光源と組み合せた本発明のもう一つの態様の立面図であり； 図４Ａは図４の態様の分解図であり； 図４Ｂは一つの入力光源および反射装置と組み合せた本発明のもう一つ別の態 様の立面図であり； 図５はマイクロレンズのアレイを含む図４の態様の立面図であり； 図６は図５の態様の分解図であり；そして 図７は図５の態様のもう一つ別の分解図である。推奨される態様の詳細な説明 本発明の推奨される態様は、上記の図面を参照することによりこの技術分野の 習熟者により良く理解されるであろう。これらの図面に例示される本発明の好ま しい態様は、全てを網羅的に示すことを意図するものでも、或いはその開示され た正確な形に本発明を限定することを意図するものでもない。これらの図面は本 発明の原理およびその応用と実用を記述するか、若しくは最も良く説明し、それ によりこの技術分野の習熟者に本発明を最も良く利用できるように選ばれている ものである。 本発明の一つの好ましい態様が図１、１Ａ、１Ｂおよび１Ｃに示されている。 番号２で代表される照明系は、光発生装置１４、受光面１７を有する導波路１６ 、および導波路１６と光学的に対になっているマイクロプリズム２８のアレイを 含んでなる。有用な光発生装置１４の代表例はレーザー、蛍光管、発光ダイオー ド、白熱電球、太陽光およびこれらに類する手段である。導波路１６はガラス若 しくは重合体のような任意の透明な材料から作られ、そしてそれは図１Ｃに示し たように楔型であるのが好ましい。 導波路１６とマイクロプリズム２８のアレイの間には低屈折率の層２７が配置 されている。光はＴＩＲにより反射されながら導波路１６を通り、そして光入力 面３０を通って各マイクロプリズム２８に入り、側壁３３、３５および３７で反 射して、光出力面３２を通って、限定空間指向光源としてマイクロプリズム２８ を出てくる。層２７は、（導波路の面に対して）低角度の光がマイクロプリズム ２８に入るのを妨げる。低角度光は、図１Ｄに示されるように、その導波路の面 に対し角度αを有する光と定義されるもので、その定義は次のとおりである： α≦９０°−β_臨界＝９０°−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ₁） ここで、β_臨界はスネルの法則で定義される臨界角であり、ｎ₂は層２７の屈折 率であり、ｎ₁は導波路１６の屈折率であり、そしてｎ₂＜ｎ₁である。光線がプ リズム２８に入ることができる角度範囲を制限することにより、マイクロプリ ズム２８の出力はより効率的となり、より平行化した光源が与えられる。導波路 １６の中で利用可能な光を全て利用するために、図１Ｃの光線３１を例として代 表される低角度光線は導波路１６と層２７の界面で反射されて高角度光線に変換 され、層２７に入るために導波路をさらに下がり、そしてマイクロプリズム２８ で取り出される。低角度光線の高角度光線へのこの変換は、導波路１６が楔形で あれば起きるであろう。 導波路１６は約４００ｎｍから約７００ｎｍの波長範囲の光に対して透明であ る。導波路１６の屈折率は約１．４０から約１．６５の範囲であることができる 。最も好ましい屈折率は約１．４５から約１．６０である。導波路１６は任意の 透明な固体材料から作ることができる。好ましい材料は透明な重合体、ガラスお よび溶融シリカである。これらの材料に希望される性質は、当該デバイスの通常 の使用温度で機械的および光学的に安定なことである。典型的な材料は、ガラス 、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ（４‐メチ ルペンテン）、ポリスチレン、アリルジグリコールカーボネート、スチレン／ア クリロニトリル共重合体およびスチレン／メタクリル酸メチル共重合体である。 好ましくは、マイクロプリズム２８は約１．４０から約１．６５の間の屈折率 を有する材料から造られ、これら材料にはポリメタクリル酸メチル、ポリカーボ ネート、ポリエステル、ポリ（４‐メチルペンテン）、ポリスチレン、アリルジ グリコールカーボネート、スチレン／アクリロニトリル共重合体、スチレン／メ タクリル酸メチル共重合体、およびアクリレート単量体の光重合により生成する 重合体がある。より好ましい材料は約１．４５から約１．６０の間の屈折率を有 するもので、これはウレタン‐アクリレートおよび‐メタクリレート、アクリル 酸およびメタクリル酸エステル、エポキシ‐アクリレートおよび‐メタクリレー ト、（ポリ）エチレングリコール‐アクリレートおよび‐メタクリレート、並び にビニル基含有有機単量体から成るアクリレート系単量体混合物の光重合によっ て合成される重合体であることができる。有用な単量体は、メチルメタクリレー ト、ｎ‐ブチルアクリレート、２‐エチルヘキシルアクリレート、イソデシルア クリレート、２‐ヒドロキシエチルアクリレート、２‐ヒドロキシプロピルアク リレート、シクロヘキシルアクリレート、１，４‐ブタンジオールジアクリレー ト、エトキシ化ビスフェノールＡ・ジアクリレート、ネオペンチルグリコールジ アクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジ メタクリレート、１，６‐ヘキサンジオールジアクリレート、トリメチロールプ ロパントリアクリレート、ペンタエリトリトールトリアクリレートおよびペンタ エリトリトールテトラアクリレートである。特に有用なものは、少くとも一つの 単量体がジアクリレート若しくはトリアクリレートのような多官能性単量体であ る混合物であり、これら単量体は、その反応したフォトポリマー中で架橋網目を 生じるからである。光リソグラフィーで調製されるマイクロプリズム２８用の最 も好ましい材料は、エトキシ化ビスフェノールＡ・ジアクリレートとトリメチロ ールプロパン・トリアクリレートの混合物を光重合して調製した架橋重合体であ る。この最も好ましい材料の屈折率は約１．５３から約１．５６の範囲である。 マイクロプリズム２８は隙間領域３６で隔てられている。隙間領域３６の屈折 率はマイクロプリズム２８の屈折率より小さくなければならない。隙間領域に好 ましい材料は、屈折率１．００の空気および約１．１６から約１．４０の範囲の 屈折率を有するフルオロポリマー材料である。最も好ましい材料は空気である。 この好ましい態様では、層２７は導波路１６とマイクロプリズム２８のアレイ の間で接着促進層としても機能する。この態様では、層２７は光透過性で、マイ クロプリズム２８、特に、例えば光架橋アクリレート単量体材料のような重合体 から調製されたマイクロプリズムを導波路１６に強く接着させる有機材料である 。このような接着材料はこの技術分野の習熟者には良く知られている。 さらにまた、低屈折率の層２７は、その屈折率が導波路１６より小さい限り、 導波路１６およびマイクロプリズム２８と同じ材料で造ることができる。層２７ の屈折率は導波路１６の屈折率より約０．０１から約０．２０小さいことが好ま しい。層２７の屈折率は導波路１６の屈折率より約０．０４から約０．１５小さ いことが最も好ましい。 マイクロプリズムは正方形、長方形または六角形のような任意のパターンで導 波路１６の上に配列することができる。これらのマイクロプリズムは、受光面１ ７に垂直な方向に繰返間隔３８（図１）を、そして受光面１７に平行な方向に繰 返間隔４０（図１Ｂ）を有する。繰返間隔３８と４０は等しい場合も等しくない 場合もあり、当該ディスプレイの解像力と寸法に応じて広い範囲で変えることが できる。さらに、これら繰返間隔３８と４０は、光発生装置１４からの距離が増 すにつれての導波路１６内部での光の強さの低下を相殺するために、導波路１６ の表面に沿って変えることができる。光の強さのこの低下は、そのアレイの他の マイクロプリズムにより光が除去されることに因る。 マイクロプリズム２８は、光入力面３０と光出力面３２を有する６つの側面を 有する幾何学的形状を形成するように作られており、その光出力面３２の表面積 は光入力面３０に等しいか、それより大きい。マイクロプリズム２８は、さらに 、二対の向い合っている側壁３３、３４および３５、３７を含んでいる。側壁３ ３、３５および３７は導波路１６を通って伝播する光を反射し、方向を変えるの に有効である。側壁３３と、導波路１６若しくはその上の層２７との交差線は、 光の平均方向に垂直な線を形成するのが好ましい。例えば、図１に示されている ように、側壁３３と接着層２７との交差線は受光面１７に平行な線を形成し、従 って導波路１６を通って進む光の平均方向に垂直である。側壁３４は側壁３３に 平行であるように示されているが、側壁３４の方向は重要ではない。 図１Ａに示されているように、各マイクロプリズム２８は、側壁３３が導波路 １６の表面の法線に対して角度φで傾斜するように作られている。傾斜角φの望 ましい値は約１５度から約５０度の範囲である。傾斜角φのより好ましい値は約 ２０度から約４０度の範囲である。この技術分野の習熟者には自明であろうよう に、傾斜角φは、限定空間指向光が出てくる光出力面の法線に対する角度で決ま る。 図１Ｂを参照して説明すると、側壁３５および３７も導波路１６の表面の法線 に対して角度θで傾斜している。傾斜角θの望ましい値は約０度から約２５度の 範囲である。傾斜角θのより好ましい値は約２度から約２０度の範囲である。側 壁３５と３７に対する傾斜角θは等しい方が好ましいが、必ずしも等しい必要は ない。 マイクロプリズム２８の高さは、図１Ａに示されているように、寸法５０であ る。高さ５０は当該ディスプレイの寸法と解像度に応じて広い範囲で変えること ができる。即ち、ラップトップ・コンピュータディスプレイやアビオニクスディ スプレイのような小さいディスプレーは、大型スクリーンやフラット‐パネルテ レビジョンのようなより大きいディスプレーに比べ、非常に小さい寸法を有する であろう。 マイクロプリズム２８の長さの寸法は５２と５３である。長さ５２は光入力面 ３０に対応し、長さ５３は光出力面３２に対応する。長さ５３は長さ５２に等し くてもよいし、或いはそれより長くてもよい。長さ５２と５３は当該ディスプレ イの寸法と解像度に応じて広い範囲で変えることができる。さらに、長さ５２は 、光発生装置１４からの距離が増すにつれての導波路１６内部での光の強さの低 下を相殺するために、その光透過装置１６の表面を横切って変えることができる 。即ち、光発生装置１４により近いマイクロプリズム２８は光発生装置１４から 離れたマイクロプリズムに比べて寸法５２がより小さい。光の強さのこの低下は 、このアレイの他のマイクロプリズムによる光の除去に因る。長さ５２および５ ３の最大値は図１の繰返間隔３８より小さい。 マイクロプリズム２８の幅の寸法は５４および５５（図１Ｂ）であり、幅５４ は光入力面３０に対応し、幅５５は光出力面３２に対応する。幅５４と５５は当 該ディスプレイの寸法と解像度に応じて広い範囲で変えることができ、そしてそ れは傾斜角θと高さ５０の関数である。さらに、幅５４は光発生装置１４からの 距離が増すにつれての導波路１６内部での光の強さの低下を相殺するために、そ の光透過装置１６の表面を横切って変えることができる。幅５５の最大値は繰返 間隔４０に等しい。長さの寸法５２は幅の寸法５４より大きいことが望ましい。 長さ５２と幅５４の比は１．２：１から５：１の範囲であるのが好ましい。この 比は１．５：１から３：１の範囲であるのがより好ましい。 もう一つの態様では、図２および２Ａに示されているように、マイクロレンズ ８０のアレイはマイクロプリズム２８に極く近接して置かれる。このマイクロレ ンズ８０が光重合で製造される場合、それらはマイクロプリズム２８用に前に示 した単量体と同じ単量体から作られ、そのマイクロプリズム２８の屈折率に等し いか、または実質的に等しい屈折率を有することが好ましい。しかし、例えば前 に説明した材料のような任意の透明な材料を用いてもよい。これらマイクロレン ズの間の中心間距離はマイクロレンズ２８の繰返間隔３８と４０に直接相関して いる。即ち、全部のマイクロプリズム２８について、各マイクロプリズム２８の 出力面３２と芯合せして配列された対応するマイクロレンズ８０が存在する。 スペーサ８２がマイクロレンズ８０とマイクロプリズム２８を隔てている。ス ペーサ８２の厚みは、マイクロプリズム２８からの光をマイクロレンズ８０で平 行にするのに最も適するように決められる。スペーサ８２は任意の透明な材料か ら作ることができる。好ましい材料は透明な重合体、ガラスおよび溶融シリカで ある。スペーサ８２はマイクロプリズム２８およびマイクロレンズ８０の屈折率 に等しいか、または実質的に等しい屈折率を有するのが好ましい。これらの材料 の望ましい特性は、当該デバイスの通常の使用温度での機械的および光学的安定 性である。推奨される材料の例は、ガラス、ポリメタクリル酸メチル、ポリカー ボネート、ポリエステル、ポリ（４‐メチルペンテン）、ポリスチレン、アリル ジグリコールカーボネート、スチレン／アクリロニトリル共重合体およびスチレ ン／メタクリル酸メチル共重合体である。 マイクロプリズム２８のアレイ、スペーサ８２およびマイクロレンズ８０のア レイを製造する好ましい方法は、この技術分野の習熟者に知られている射出成形 によるものであって、それによればマイクロプリズム、スペーサおよびマイクロ レンズは単一の一体化ユニットとして製造される。この方法の利点は、これらア レイが別々に造られて、上に説明したような相互関係で取り付けられるとした場 合に起きる可能性のあるマイクロレンズとマイクロプリズムのアレイとの間の芯 合せの誤差が排除されることである。マイクロプリズム２８および９０とマイク ロレンズ８０のアレイは、圧縮成形、熱ローラー加圧注型を含めて注型法、金型 内での光重合および金型を使用しない光重合法のような幾つかの方法で製造する ことができる。 単一のマイクロレンズ８０が図３に示されている。このマイクロレンズは、球 面レンズ若しくは非球面レンズまたは非点収差レンズのいずれかであることがで きる。マイクロレンズ８０の足部の形は必ずしも円形ではなく、図３Ａに示され ているように、夫々繰返間隔３８と４０に長さが等しい長さ８６と幅８７を有す る長方形の形状でも良い。 マイクロレンズ８０が球面レンズの場合、そのレンズは曲率半径８４の湾曲面 を有しているであろう。この曲率半径は対応するマイクロプリズムアレイの繰返 間隔３８と４０に依存して広い範囲で変えることができる。マイクロレンズ８０ が導波路１６からマイクロプリズム２８により方向付けられて出てくる光を実質 的に全て捕集するためには、マイクロレンズ８０のｆ数は比較的小さい値である のがよい。マイクロレンズ８０のｆ数の値は約０．５から約４．０の範囲である ことができる。ｆ数のより好ましい値は約０．６から約３．０の範囲である。 本発明のもう一つ別の態様が図４および４Ａに示されている。二つの光発生装 置１４と１４Ａが、導波路１６の二つの向い合って位置する受光面１７および１ ７Ａに隣接して置かれている。マイクロプリズム９０のアレイと導波路１６との 間に、上に説明したのと同様に低屈折率層２７が挟まれている。層２７は接着層 としても役立つことが好ましい。光線３１ａで例示説明されているように、光発 生装置１４と１４Ａは、また、低角度光線を導波路１６を通してより高い角度で 再利用する反射装置として機能するような反射特性を有しているのが好ましい。 光発生装置１４と１４Ａが十分な反射特性を示さない場合には、追加の反射装置 が用いられることになろう。別法として、単一の光発生装置１４を一つの受光面 で用い、そして、図４Ｂに示したように、低角度光線を高角度光線として再利用 するために、光反射装置１４Ｂを向かい合って位置する導波路１６の表面に配置 することができる。 マイクロプリズム９０は光入力面９２と光出力面９４を含んでなり、この場合 光出力面９４は光入力面９２より表面積が大きくなっている。マイクロプリズム ９０も二対の向い合って位置する傾斜した側壁９６と９８および９７と９９を含 んでいる。 側壁９６と９８は夫々導波路１６の表面の法線に対して角度φで傾斜している 。側壁９６と９８に対する傾斜角φは等しい角度であることが好ましいが、必ず しも等しい角度である必要はない。夫々傾斜した側壁９６と９８の導波路１６若 しくはその上の接着層２７との交差線は、向い合って位置する受光面１７と１７ Ａに平行であり、従って導波路１６を通って進む光の平均方向に垂直である。 図４Ａを参照して説明すると、側壁９７および９９は夫々導波路１６の表面の 法線に対して角度θを形成している。側壁９７と９９に対する傾斜角θは等しい 角度であることが好ましいが、必ずしも等しい角度である必要はない。傾斜した 各側壁９７と９９の導波路１６若しくはその上の接着層２７との交差線は、向い 合って位置する受光面１７と１７Ａに垂直であり、従って導波路１６を通って進 む光の平均方向に平行である。 マイクロプリズム９０の高さは寸法１１０であって、マイクロプリズム２８の 高さ５０に似ている。マイクロプリズム導波路９０の長さは寸法１２０および１ ２２を有し、この場合寸法１２２は寸法１２０より小さい。１２０と１２２の両 方の長さは傾斜角φと高さ１１０との関数である。長さ１２０と１２２は当該デ ィスプレイの寸法と解像力に依存して広い範囲で変えることができる。さらに、 長さ１２０と１２２は、光発生装置１４および１４Ａからの距離が増すにつれて の導波路１６内部での光の強さの低下を相殺するために、この光透過装置１６の 表面を横切って変えることができる。長さ１２０の最大値は繰返間隔１３８に等 しい。 マイクロプリズム２８の幅の寸法は、図４Ａに示されているように、１３０お よび１３２である。寸法１３２は寸法１３０より小さいか、または等しい。幅１ ３０と１３２の両方は傾斜角θと高さ１１０との関数である。幅１３０と１３２ は長さ１２０と１２２について上で説明した因子に依存して広い範囲で変えるこ とができる。幅１３０の最大値は繰返間隔１４０に等しい。長さの寸法１２２は 幅の寸法１３２より大きいことが望ましい。長さ１２２と幅１３２の比は１．２ ：１から５：１の範囲であることが好ましい。この比は１．５：１から３：１の 範囲であることがより好ましい。 図５から７に示される本発明の更にもう一つの態様は、マイクロプリズム９０ に極く近接して置かれたマイクロレンズ８０のアレイを含んでなる。前に示した ように、スペーサ８２がマイクロレンズ８０をマイクロプリズム９０から隔てて いる。光は限定空間指向光源として各マイクロプリズム９０から出て、一つまた はそれ以上のマイクロレンズに入る。一つのマイクロプリズム９０からの光が二 つのマイクロレンズ８０に向かうのが好ましい。このマイクロプリズム９０から 出た限定空間指向光源は、実質的に平行な光パターンを提供するためにマイクロ レンズ８０により平行にされる。マイクロレンズ間の中心間距離はマイクロプリ ズム９０の繰返間隔１３８と１４０に直接相関性を持つ。各マイクロレンズ８０ の長さ８６（図３Ａ）はマイクロプリズムアレイに対し一直線に並んでおり、そ のため、図５と６に示されているように、等しい距離が隣接のマイクロプリズム に重なり合っている。各マイクロレンズの幅８７は、図７に示されるように、単 一のマイクロプリズムに対して中心線が合っている。 以上説明した特定の態様は本発明の原理を単に例示説明するものであり、この 技術分野の習熟者であれば、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される本発 明の範囲と精神から逸脱することなしに、様々な修正をなし得ることは理解され るであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジマーマン，スコット・ムーア アメリカ合衆国ニュージャージー州07920, バスキング・リッジ，スプリングハウス・ レイン 40

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．次の： （ａ）第１受光面を第１拡散光源に近接して有する、該第１拡散光源から出る 光を輸送する光透過装置； （ｂ）各マイクロプリズムが （ｉ）該光透過装置に光学的に連結された光入力面； （ii）向い合って位置する第１側壁対にして、その少くとも一つが該光透 過装置の表面の法線に対して第１傾斜角を形成している該第１側壁対；および （iii）向い合って位置する傾斜した第２側壁対にして、その少くとも一 つが該光透過装置の表面の法線に対して第２傾斜角を形成している該第２側壁対 ； を含んでなるマイクロプリズムのアレイ；および （ｃ）該光透過装置と該光入力面との間に位置する低屈折率の層； を含んでなる、該光透過装置を通って反射する光の第１部分が該光入力面を通っ て該マイクロプリズムのアレイに入り、該側壁で方向が変えられ、そして該マイ クロプリズムから限定空間指向光源として出光し、また該光透過装置を通って反 射する光の第２部分が該低屈折率層によって該光入力面に入るのが抑えられるよ うになっている、限定空間指向光源を提供するための照明用集合組立装置。 ２．光透過装置が楔形の導波路であり、そして光の第２部分の少くとも一部が 該導波路内で再循環され、そしてその光入力面を通ってマイクロプリズムのアレ イに入り、側壁で方向が変えられ、そして該マイクロプリズムから限定空間指向 光源として出て来る、請求の範囲第１項に記載の照明用集合組立装置。 ３．各マイクロプリズムの出力が少くとも一つの対応するマイクロレンズに向 いており、そして該マイクロレンズを通って透過した光が実質的に平行な光源と して出て来る、マイクロレンズのアレイをさらに含んでいる、請求の範囲第１項 に記載の照明用集合組立装置。 ４．第１傾斜角が光透過装置の表面の法線に対して１５から５０度である、請 求の範囲第１項に記載の照明用集合組立装置。 ５．第２傾斜角が光透過装置の表面の法線に対して０から２５度である、請求 の範囲第１項に記載の照明用集合組立装置。 ６．マイクロプリズム、マイクロレンズおよび光透過装置が約１．４５から約 １．６５の屈折率を有する、請求の範囲第３項に記載の照明用集合組立装置。 ７．低屈折率層が光透過装置の屈折率より小さい屈折率を有する、請求の範囲 第１項に記載の照明用集合組立装置。 ８．次の： （ａ）第１受光面を第１拡散光源に近接して、そして第２受光面を該第１拡散 光源によって発生せしめられる光を反射するための反射装置に近接して有する、 該第１拡散光源から出る光を輸送する光透過装置； （ｂ）各マイクロプリズムが （ｉ）該光透過装置に光学的に連結された光入力面； （ii）該光入力面の表面積より大きい表面積を有する光出力面； （iii）向い合って位置する第１側壁対にして、その各々が該光透過装置 の表面の法線に対して第１傾斜角を形成している該第１側壁対；および （iv）向き合って位置する傾斜した第２側壁対にして、その各々が該光透 過装置の表面の法線に対して第２傾斜角を形成している該第２側壁対； を含んでなるマイクロプリズムのアレイ、および （ｃ）該光透過装置と該光入力面との間に位置する低屈折率の層； を含んでなる、該光透過装置を通って反射する光の第１部分が該光入力面を通っ て該マイクロプリズムのアレイに入り、該側壁で方向が変えられ、そして該マイ クロプリズムから限定空間指向光源として出光し、また該光透過装置を通って反 射する光の第２部分が該低屈折率層によって該光入力面に入るのが抑えられ、そ して該反射装置によって該導波路内で再循環され、そして該光入力面を通って該 マイクロプリズムのアレイに入り、該側壁で方向が変えられ、そして該マイクロ プリズムから限定空間指向光源として出て来るようになっている、限定空間指向 光源を提供するための照明用集合組立装置。 ９．各マイクロプリズムの光出力が少くとも一つの対応するマイクロレンズに 向いており、そして該マイクロレンズを通って透過した光が実質的に平行な光源 として出て来る、マイクロレンズのアレイをさらに含んでいる、請求の範囲第８ 項に記載の照明用集合組立装置。